以CAN總線作為工業現場總線實現其與以太網的互聯

　近年來，隨著以太網技術的進一步發展和完善，特別是通信速率的提高和交互技術的應用，使得以太網技術應用于現場控制領域成為可能，這對工業控制網絡產生了新的影響。從目前的趨勢來看，以太網己經進入了現場控制級，但是已有的現場總線仍將繼續存在，工業以太網只能占領一定的市場。
　　從現實來看，以太網擴展了現有的系統，但是現場總線不可能完全被工業以太網替代，后者的潛力巨大，其應用領域一定會不斷擴大。所以，將現場總線與以太網結合，從而實現底層生產與上層管理的緊密集成，已經成為一種趨勢。CAN總線作為國際上應用最廣泛的現場總線之一，在我國也得到了很廣泛的應用，該設計以CAN總線作為工業現場總線，實現其與以太網的互聯。
　　1硬件結構
　　目前，對于CAN和以太網相連的嵌入式網關設計主要有兩種方法：一種是低檔MCU加接口芯片的設計方法，另一種是高檔MCU加EOS（實時多任務操作系統）再加接口芯片的設計方法。因CAN只采用了ISO/OSI參考模型的一、二層，協議相對簡單，比較適合用于低成本、速率要求不高的離散控制系統。從合理的成本和有效利用處理能力這兩方面考慮，該設計采用低檔MCU加接口芯片的方法，其硬件框圖見圖1.
　　
　　圖1 硬件原理圖
　　1.1主控芯片及以太網接口模塊
　　根據要求，該系統選擇了性能價格比較高的Atmel公司生產的AT89C55單片機。它是面向測控對象和嵌入式應用的，所以它的體系結構以及CPU、指令系統、外圍單元電路都是按照這種要求專門設計的。它內部帶高達20 KB的FLASH程序存儲器，AT89C55完全兼容8051指令集，片上FLASH方便了使用者進行在線編程，工作速率最高可達33 MHz，256 B的內部RAM，32個可編程的I/O口，3個16位的定時/計數器，8個中斷源，支持低功耗的空閑工作模式。以太網接口選用的是RTL8019AS芯片，它是由Realtek公司生產的一種高度集成的以太網控制器，能實現以太網媒介訪問層（MAC）和物理層（PHY）的全部功能。RTL8019AS內部有兩個RAM區域：一是16 KB，地址為0x4000～0x7fff，要接收和發送數據包必須通過DMA讀寫RTL8019AS內部的16 KB的RAM，它實際上是雙端口RAM，即有兩條總線與其連接，一條總線用于RTL8019AS讀/寫或寫/讀該RAM，即本地DMA；另一條總線用于單片機讀或寫該RAM，即遠程DMA；二是32個字節，地址為0x0000～0x001F，用于存儲以太網物理地址。主控芯片和以太網接口芯片的硬件接口原理圖見圖2.值得注意的是由于以太網的包最大可以超過1 500個字節，AT89C55的片內RAM只有256個字節，因此無法存儲這么大的包，所以這里擴展了一個32 KB的外部RAM，這樣同時也能提高單片機的數據傳輸速度。
　　
　　圖2 以太網接口電路原理圖
　　1.2 CAN接口模塊
　　組成CAN系統的主要器件是CAN控制器和收發器。該設計中，CAN接口模塊選用SJA1000芯片和PCA82C250芯片。SJA1000是一個獨立的CAN控制器，它是Philips公司另一個CAN控制器PCA82C200的替代產品，且增加了一種新的工作模式（Peli CAN），這種模式支持CAN 2.0B協議。SJA1000主要完成CAN的通信協議，實現報文的裝配和拆分、接收信息的過濾和校驗等。
　　PCA82C250是CAN控制器與物理總線之間的接口，主要用于增強系統的驅動能力。采用收發器的系統中，節點數至少可以達到110個，同時還具有降低射頻干擾（RFI）和很強的抗電磁干擾（EMI）能力。在處理這部分電路時，有幾個地方要特別注意：
　?。?）晶振電路的問題。89C55和SJA1000都應該有各自獨立的晶振電路，不能夠用SJA1000的時鐘輸出信號CLKOUT來驅動單片機。
　?。?）復位引腳的問題。雖然SJA1000的復位是低電平，但不能通過一個非門直接連接單片機的復位引腳。一般對解決復位引腳問題有兩種方式：第一種是使用單片機的I/O引腳控制SJA的復位引腳，其好處是單片機可以完全控制SJA的復位過程；第二種是采用適當的復位芯片，為了降低成本，該設計采取的是第一種方法。
　?。?）RX1引腳的電位必須維持在約0.5 VCC上，否則將不能形成CAN協議所要求的邏輯電平。
　?。?）一定要注意電纜的終端阻抗匹配，它直接影響CAN總線是否能正常工作和網絡性能。CAN接口模塊的硬件電路圖見圖3，在PCA82C250的RS腳上接有一個斜率電阻R，可根據總線通信速度適當調整電阻的大小。